隧洞施工超前預(yù)報(bào)現(xiàn)狀概述

1、隧洞施工超前預(yù)報(bào)現(xiàn)狀概述（一）前言隧洞建設(shè)中對(duì)工程地質(zhì)條件的認(rèn)知和掌握程度是確保快速、安全修建的決定性因素之一。盡 管施工前進(jìn)行了大量的地質(zhì)勘察工作，但由于當(dāng)前勘察技術(shù)手段和方法技術(shù)的限制，加上地 質(zhì)體的復(fù)雜多變，期望在施工前完全查明工程巖體的狀態(tài)、特性，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧洞施工中可 能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置、性質(zhì)和規(guī)模是十分困難的。因此，世界各國(guó)隧洞工程界都十分重視 超前預(yù)報(bào)工作。隧洞開(kāi)挖中引發(fā)災(zāi)難的因素是多種多樣的（如地下水、有毒或易燃?xì)怏w、高地溫、巖爆等）， 而由于人們對(duì)地質(zhì)特性認(rèn)識(shí)不足、施工方法不當(dāng)也可引起災(zāi)害（如塌方冒頂?shù)龋Ｈ藗儗?duì)地 層物理、化學(xué)性能的了解和巖體本身結(jié)構(gòu)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，需通過(guò)多種

2、勘探試驗(yàn)手段，才能獲得 定性和定量分析的依據(jù)。地下工程超前預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)不同，超前預(yù)報(bào)主要是加強(qiáng)施工期間的地質(zhì)工作，是在開(kāi)挖之 前，除根據(jù)開(kāi)挖時(shí)揭露出來(lái)的實(shí)際地質(zhì)情況，校正補(bǔ)充地勘時(shí)未能查到的資料外，還要根據(jù) 這些成果資料，分析推斷掌子面前方的地質(zhì)情況，是否存在前期勘察時(shí)沒(méi)有查到的不良地質(zhì) 體，以便預(yù)先采取措施；而監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)是在開(kāi)挖以后，預(yù)報(bào)因圍巖變形而產(chǎn)生的各種破壞。 盡管隧洞施工超前預(yù)報(bào)已引起國(guó)內(nèi)外隧洞工程界的重視，也做了許多卓有成效的工作，但到 目前為止還沒(méi)有一套系統(tǒng)的普遍適用的方法，國(guó)內(nèi)外隧洞工程的重大地質(zhì)災(zāi)害仍時(shí)有發(fā)生。 因此，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)開(kāi)挖前方的地質(zhì)條件是隧洞建設(shè)者們的迫切要求，二十世

3、紀(jì)八十年代以來(lái)世 界各國(guó)都把這類(lèi)問(wèn)題列為重點(diǎn)研究課題。但是隧洞施工超前預(yù)報(bào)又是一項(xiàng)復(fù)雜而艱難的任務(wù)， 尚需在工程實(shí)踐中不斷創(chuàng)新、優(yōu)化、總結(jié)、完善和提高，要真正搞好隧洞施工超前預(yù)報(bào)任重 Ejo1、超前預(yù)報(bào)目的開(kāi)挖前對(duì)地質(zhì)情況的了解，對(duì)于隧洞建設(shè)有著十分重要的作用。通過(guò)超前預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異 常情況，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性， 為正確選擇開(kāi)挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞涌水、突泥、 突氣等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，使工程單位提前做好施工準(zhǔn)備，保證施工安全， 同時(shí)還可節(jié)約大量資金。所以隧洞超前預(yù)報(bào)對(duì)于安全科學(xué)施工、提高施工

4、效率、縮短施工周 期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。2、超前預(yù)報(bào)內(nèi)容隧洞施工超前預(yù)報(bào)的內(nèi)容一般包括：不良地質(zhì)預(yù)報(bào)及災(zāi)害地質(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)掌子面前方一定范圍內(nèi)有無(wú)突水、突泥、巖爆及有 害氣體等，并查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì)，提出施工措施或建議；水文地質(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)洞內(nèi)突涌水量的大小及其變化規(guī)律，并評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境地質(zhì)、水文地 質(zhì)的影響；斷層及其破碎帶的預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)斷層的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)、充填物的狀態(tài)，是否為 充水?dāng)鄬?，并判斷其穩(wěn)定程度，提出施工對(duì)策；圍巖類(lèi)別及其穩(wěn)定性預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)掌子面前方的圍巖類(lèi)別與設(shè)計(jì)是否吻合，并判斷其穩(wěn)定 性，隨時(shí)提供修改設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)類(lèi)型、確定二次襯砌時(shí)間的建

5、議等；預(yù)測(cè)隧洞內(nèi)有害氣體含量、成分及動(dòng)態(tài)變化；3、隧洞施工超前預(yù)報(bào)分類(lèi)如何對(duì)隧洞施工超前預(yù)報(bào)合理分類(lèi)，目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到系統(tǒng)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。但超前預(yù)報(bào)分類(lèi) 的必要性是顯而易見(jiàn)的：正確的分類(lèi)是制定有關(guān)規(guī)程、細(xì)則或指南所需要的；正確的分類(lèi)有利于把超前預(yù)報(bào)納入施工計(jì)劃和管理的全過(guò)程;正確的分類(lèi)有利于指導(dǎo)科研立題及其管理。根據(jù)隧洞施工超前預(yù)報(bào)的內(nèi)容和目的以及實(shí)際預(yù)報(bào)中的作用，結(jié)合我國(guó)隧洞施工超前預(yù)報(bào)的 客觀(guān)實(shí)際，以下簡(jiǎn)要介紹隧洞施工超前預(yù)報(bào)分類(lèi)的初步設(shè)想。3.1按預(yù)報(bào)的作用劃分常規(guī)預(yù)報(bào)：是勘測(cè)設(shè)計(jì)階段地質(zhì)工作的繼續(xù)，也是隧洞施工的一個(gè)作業(yè)過(guò)程。其目的是結(jié) 合施工進(jìn)程，收集地質(zhì)資料，判斷圍巖類(lèi)別，了解掌子面

6、前方短距離內(nèi)的工程地質(zhì)條件，為 正確選擇斷面大小、襯砌類(lèi)型、施工方法和支護(hù)設(shè)計(jì)或修改施工設(shè)計(jì)等提供依據(jù)，其成果可 作為隧洞竣工后維修養(yǎng)護(hù)參考。該預(yù)報(bào)是短距離預(yù)報(bào)的主要任務(wù)，目前已有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)。 多以地質(zhì)素描為主，配合簡(jiǎn)單的物探測(cè)試了解掌子面前方地質(zhì)條件。常規(guī)預(yù)報(bào)應(yīng)以施工單位 為主，作定量預(yù)報(bào)、并結(jié)合施工進(jìn)行，預(yù)報(bào)時(shí)盡量不占或少占施工作業(yè)時(shí)間。成災(zāi)預(yù)報(bào)：隧洞施工中的地質(zhì)災(zāi)害，是指隧洞施工過(guò)程中因前方地質(zhì)條件的突然變化，導(dǎo) 致施工失去控制的非常事件。該事件可引起人員傷亡、機(jī)械設(shè)備失效并嚴(yán)重破壞、甚至被迫 長(zhǎng)時(shí)間停工，致使工程部門(mén)蒙受重大的經(jīng)濟(jì)損失。隧洞地質(zhì)災(zāi)害主要有大規(guī)模塌方、涌水、 涌泥、涌

7、石、巖爆、瓦斯等。成災(zāi)預(yù)報(bào)是對(duì)可能的災(zāi)害性地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)，以指導(dǎo)隧洞施 工中的防災(zāi)和減災(zāi)工作。該預(yù)報(bào)是中、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)的主要任務(wù)，是為隧洞施工戰(zhàn)略決策服務(wù) 的。對(duì)可能成災(zāi)的地質(zhì)條件，應(yīng)從設(shè)計(jì)和施工方法上考慮特殊對(duì)策，否則可按常規(guī)預(yù)報(bào)進(jìn)行。 成災(zāi)預(yù)報(bào)應(yīng)由設(shè)計(jì)、科研、施工單位組成專(zhuān)家小組，采用地質(zhì)、物探綜合分析法進(jìn)行定性和 定量預(yù)報(bào)，并視工作需要占用部分施工作業(yè)時(shí)間。專(zhuān)門(mén)預(yù)報(bào)：對(duì)特殊地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)報(bào)，如膨脹巖、侵蝕性地下水、高地溫、巖溶等。這些 特殊地質(zhì)條件，常常使施工陷入困境或破壞隧洞襯砌，如果處理不及時(shí)或處理失當(dāng)，甚至可 能釀成大的地質(zhì)災(zāi)害?？梢?jiàn)，專(zhuān)門(mén)預(yù)報(bào)也是隧洞施工預(yù)報(bào)的重要內(nèi)容之一。該預(yù)報(bào)

8、應(yīng)由設(shè)計(jì)、 科研和施工部門(mén)組成專(zhuān)門(mén)小組，采用綜合手段作定性和定量預(yù)報(bào)。3.2按距掌子面的距離劃分隧洞施工超前預(yù)報(bào)距離與隧洞施工速度和工程實(shí)際需要密切相關(guān)。結(jié)合我國(guó)隧洞開(kāi)挖技術(shù)水 平和快速施工要求，按掌子面前方距離可分為三類(lèi)：短距離預(yù)報(bào)：0-15m.就我國(guó)目前快速施工的水平，一般采用鉆爆與TBM相結(jié)合的方法。 一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺約23m,二個(gè)循環(huán)是46m，三個(gè)循環(huán)是69m.實(shí)踐表明，預(yù)報(bào)三個(gè)循環(huán) 的前方地質(zhì)條件，即能滿(mǎn)足安全施工要求。根據(jù)我國(guó)目前的探測(cè)技術(shù)，要預(yù)報(bào)掌子面前方 15m范圍內(nèi)的地質(zhì)條件并不困難，且測(cè)試基本可與施工同步進(jìn)行。對(duì)成災(zāi)預(yù)報(bào)而言，短距 離預(yù)報(bào)相當(dāng)于臨災(zāi)預(yù)報(bào)或防災(zāi)處理階段。中距離預(yù)報(bào)

9、：1550m.對(duì)于防災(zāi)預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，只有15m范圍內(nèi)的臨災(zāi)預(yù)報(bào)是不夠的。發(fā)現(xiàn) 有可能成災(zāi)的地質(zhì)條件，馬上要準(zhǔn)備處理，顯然太緊張。比較理想至少應(yīng)有30m的距離。 因此，進(jìn)行范圍超過(guò)15m的中距離預(yù)報(bào)是隧洞施工所必須的。另外，從目前已有的預(yù)報(bào)實(shí) 踐來(lái)看，用物探方法在開(kāi)挖面上進(jìn)行2040m的超前探測(cè)已十分有效。說(shuō)明物探方法在中、 長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)中是有潛力的。長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)：50m以上為長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。3.3按采用的手段劃分經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào):在以往工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，憑感覺(jué)就能進(jìn)行的預(yù)報(bào)。它對(duì)臨災(zāi)預(yù)報(bào)有特殊意義， 如鑿孔過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有巖粉異常噴出，可能遇到了瓦斯或有害氣體；聽(tīng)到巖石劈裂聲且隨后出 現(xiàn)巖塊彈射現(xiàn)象可能是巖爆;鑿孔異

10、常噴水可能是大量涌水的先兆;隧洞塌方也有先兆等等。 直接預(yù)報(bào)法或地質(zhì)分析法的預(yù)報(bào)效果與從事預(yù)報(bào)人員的經(jīng)驗(yàn)豐富程度密切相關(guān)。采用儀器預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)目的不同，方法各異，所用儀器也是多種多樣的。如地質(zhì)分析法只需 羅盤(pán)、地質(zhì)錘、放大鏡、稀鹽酸和皮尺等；水平鉆孔法需用大型水平鉆機(jī)；物探方法需各種 物探儀器等。綜合預(yù)報(bào):地質(zhì)體是復(fù)雜的綜合體。企圖用單一方法查明隧洞的全部地質(zhì)條件是不可能的， 因此應(yīng)采用綜合預(yù)報(bào)方法。根據(jù)地質(zhì)條件的差異和不同精度要求，適時(shí)選用若干種方法相互 補(bǔ)充和印證，才能獲得良好效果。3.4按精度劃分定量預(yù)報(bào)：定量是對(duì)前方地質(zhì)體具體位置、規(guī)模、設(shè)計(jì)參數(shù)變化等給出量的概念；對(duì)災(zāi) 害性地質(zhì)條件，除

11、明確災(zāi)害性質(zhì)外，還應(yīng)明確可能成災(zāi)的位置、規(guī)模和影響范圍等。當(dāng)然對(duì) 量的精度要求也是相對(duì)的，如短距離預(yù)報(bào)精度要求最高；中距離預(yù)報(bào)精度要求次之；長(zhǎng)距離 預(yù)報(bào)則以定性為主，強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)略上的指導(dǎo)作用。定性預(yù)報(bào)：定性是對(duì)定量而言。定性一定要準(zhǔn)，具體位置的精度可不作嚴(yán)格規(guī)定。4、超前預(yù)報(bào)方法4.1直接預(yù)報(bào)法4.1.1水平鉆孔在隧洞內(nèi)安放水平鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆進(jìn)，根據(jù)鉆孔資料來(lái)推斷隧洞前方的地質(zhì)情況。鉆孔數(shù)量、 角度及鉆孔深度可人為設(shè)計(jì)和控制。由鉆進(jìn)速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液顏色、 氣味、巖粉及遇到的其它情況來(lái)預(yù)報(bào)。此法可以反映巖體的大概情況，比較直觀(guān)，施工人員 可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行下步施工組織。水平鉆

12、孔主要布置在開(kāi)挖面及其附近，既可在超前導(dǎo)洞內(nèi)布置鉆孔，也可在主洞工作面上進(jìn) 行鉆探，用以獲得準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)資料，確保施工組織。該法可獲得工作面前方一定距離的 巖芯，也可由鉆孔出水情況判斷前方有無(wú)地下水和前方何處有地下水，從而可以得到開(kāi)挖面 前方的地質(zhì)情況。該法是施工預(yù)報(bào)最有效方法之一，但也存在不足之處：對(duì)垂直隧洞軸 線(xiàn)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)效果較好，與隧洞軸線(xiàn)平行的結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)較差；需占用較長(zhǎng)的施工 作業(yè)時(shí)間，費(fèi)用較高。4.1.貓前導(dǎo)坑按導(dǎo)坑與正洞的相互位置分為平行導(dǎo)坑和正洞導(dǎo)坑。其中，平行導(dǎo)坑與正洞平行，斷面小且 和正洞之間有一定距離，通過(guò)對(duì)導(dǎo)坑開(kāi)挖中遇到的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面或地下水等情況作地質(zhì)記錄 與分

13、析，進(jìn)而對(duì)正洞地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。該法的優(yōu)點(diǎn)是：預(yù)報(bào)成果比較直觀(guān)、精度高、預(yù)報(bào) 的距離長(zhǎng)、便于施工人員安排施工計(jì)劃和調(diào)整施工方案，還可以起到減壓放水、改善通風(fēng)條 件和探明地質(zhì)構(gòu)造條件的作用，同時(shí)，還可用作排除地下水、斷層注漿處理、擴(kuò)建成第二條 隧洞之用。正洞導(dǎo)坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用與平行導(dǎo)坑相比，效果更好。 超前導(dǎo)坑的缺陷為：一是成本太高，有時(shí)需要全洞進(jìn)行平導(dǎo)開(kāi)挖；二是施工工期較長(zhǎng)。4.2地質(zhì)分析法4.2.1斷層參數(shù)預(yù)測(cè)法利用斷層影響帶的特殊節(jié)理或集中帶的分布規(guī)律，通過(guò)對(duì)斷層影響帶的系統(tǒng)編錄所得經(jīng)驗(yàn)公 式，來(lái)預(yù)報(bào)隧洞斷層破碎帶的位置和規(guī)模。由于大多數(shù)不良地質(zhì)現(xiàn)象與斷層破碎帶有密切

14、的 關(guān)系，故依據(jù)斷層破碎帶推斷其它不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模。4.2.2地質(zhì)體投射法在地表準(zhǔn)確鑒別不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模和巖體質(zhì)量及精確測(cè)定不良地質(zhì)體產(chǎn)狀的基 礎(chǔ)上，應(yīng)用地質(zhì)界面和地質(zhì)體透射公式進(jìn)行預(yù)報(bào)。4.2.3正洞地質(zhì)編錄與預(yù)報(bào)隧洞施工中，及時(shí)對(duì)其開(kāi)挖面（掌子面、邊墻面和拱頂面）上的各種地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)繪和記 錄，利用已挖洞段地質(zhì)情況來(lái)預(yù)報(bào)前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象。它分為巖層巖性和層 位預(yù)測(cè)法：在開(kāi)挖面揭露巖層與地表某段巖層為同層和確認(rèn)標(biāo)志層的前提下，用地表巖層的 層序預(yù)測(cè)掌子面前方將要出現(xiàn)的巖層；地質(zhì)體延伸預(yù)測(cè)法：在長(zhǎng)期預(yù)報(bào)得出不良地質(zhì)體 厚度的基礎(chǔ)上，依據(jù)開(kāi)挖面不良地質(zhì)體的產(chǎn)狀和單壁

15、始見(jiàn)位置，經(jīng)過(guò)一系列的三角函數(shù)運(yùn)算， 求得條帶狀不良地質(zhì)體在隧洞掌子面前方消失的距離。該法是對(duì)開(kāi)挖面地質(zhì)情況如實(shí)而準(zhǔn)確的反映。其主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā) 育情況、地下水狀態(tài)、圍巖穩(wěn)定性及初期支護(hù)采用方法等。其優(yōu)點(diǎn)是占用施工時(shí)間很短，設(shè) 備簡(jiǎn)單，不干擾施工，成果快速，預(yù)報(bào)效果較好，而且為整個(gè)隧洞提供了完整的地質(zhì)資料； 缺點(diǎn)是與隧洞夾角較大而又向前傾的結(jié)構(gòu)面容易產(chǎn)生漏報(bào)。4.3物探法4.3.1彈性波法4.3.1.1TS超前預(yù)報(bào)技術(shù)TSP(TunnelSeismicPredictio超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波 特性來(lái)預(yù)報(bào)隧洞掌子面前方及周?chē)R近區(qū)域的地質(zhì)情況。該法屬多波多分量探測(cè)技術(shù)，可以 檢測(cè)出掌子面前方巖性的變化，如不規(guī)則體、不連續(xù)面、斷層和破碎帶等。它可以在鉆爆法 或TBM開(kāi)挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。數(shù)據(jù)采集時(shí)在隧洞一邊側(cè)墻等間隔鉆制20 余個(gè)炮孔，而在兩側(cè)壁鉆取2個(gè)檢波器孔，使檢波器置入套管中，依次激發(fā)各炮，從掌子面 前方任